Čerpadla běžně používaná v systémech s ultravysokým vakuem

I. Mechanická čerpadla
Hlavní funkcí mechanické vývěvy je zajistit nezbytný předstupňový podtlak pro spuštění turbomolekulární vývěvy.Mezi běžně používaná mechanická čerpadla patří především vířivá suchá čerpadla, membránová čerpadla a mechanická čerpadla s olejovým těsněním.
Membránová čerpadla mají nízkou rychlost čerpání a obecně se používají pro malé molekulární čerpací agregáty kvůli malé velikosti.
Mechanické čerpadlo s olejovým těsněním je v minulosti nejpoužívanějším mechanickým čerpadlem, které se vyznačuje velkou rychlostí čerpání a dobrým konečným vakuem, nevýhodou je obecná existence zpětného toku oleje, v systémech s ultravysokým vakuem je obecně potřeba vybavit elektromagnetickým ventilem (pro zamezení náhodného výpadku proudu způsobeného návratem oleje) a molekulárního síta (adsorpční efekt).
V posledních letech se stále více používá spirálové suché čerpadlo. Výhodou je jednoduché použití a nevrací se do oleje, jen rychlost čerpání a konečný podtlak je o něco horší než u olejově uzavřených mechanických čerpadel.
Mechanická čerpadla jsou hlavním zdrojem hluku a vibrací v laboratoři a je lepší zvolit čerpadlo s nízkou hlučností a umístit je mezi zařízení, kde je to možné, ale toho druhého často není snadné dosáhnout kvůli omezení pracovní vzdálenosti.
II.Turbomolekulární pumpy
Turbomolekulární čerpadla se spoléhají na vysokorychlostní rotující lopatky (obvykle kolem 1000 otáček za minutu) k dosažení směrového toku plynu.Poměr výfukového tlaku čerpadla k tlaku na vstupu se nazývá kompresní poměr.Kompresní poměr souvisí s počtem stupňů čerpadla, rychlostí a typem plynu, obecná molekulová hmotnost komprese plynu je relativně vysoká.Konečné vakuum turbomolekulární vývěvy je obecně považováno za 10-9-10-10 mbar a v posledních letech, s neustálým pokrokem technologie molekulárních vývěv, bylo konečné vakuum dále zlepšeno.
Vzhledem k tomu, že výhody turbomolekulárního čerpadla jsou realizovány pouze ve stavu molekulárního toku (stav toku, ve kterém je průměrný volný rozsah molekul plynu mnohem větší než maximální velikost průřezu potrubí), vakuové čerpadlo předstupně s provozním tlakem 1 až 10-2 Pa.Vzhledem k vysoké rychlosti otáčení lopatek může být molekulární pumpa poškozena nebo zničena cizími předměty, jitterem, nárazem, rezonancí nebo plynovým šokem.U začátečníků je nejčastější příčinou poškození plynový šok způsobený chybami obsluhy.Poškození molekulární pumpy může být také způsobeno rezonancí spouštěnou mechanickou pumpou.Tento stav je poměrně vzácný, ale vyžaduje zvláštní pozornost, protože je zákeřnější a není snadné jej odhalit.

III.Rozprašovací iontová pumpa
Princip činnosti rozprašovací iontové pumpy spočívá v použití iontů generovaných Penningovým výbojem k bombardování titanové desky katody za účelem vytvoření čerstvého titanového filmu, čímž se adsorbují aktivní plyny a mají také určitý pohřební účinek na inertní plyny. .Výhody naprašovacích iontových čerpadel jsou dobré konečné vakuum, žádné vibrace, žádný hluk, žádné znečištění, vyzrálý a stabilní proces, žádná údržba a při stejné rychlosti čerpání (kromě inertních plynů) jsou jejich náklady mnohem nižší než u molekulárních čerpadel, což je činí extrémně široce používanými v systémech s ultravysokým vakuem.Normální provozní cyklus rozprašovacích iontových čerpadel je obvykle více než 10 let.
Iontové vývěvy obecně potřebují ke správnému fungování tlak vyšší než 10-7 mbar (práce při horším vakuu výrazně snižuje jejich životnost), a proto vyžadují sadu molekulárních vývěv, která zajistí dobré vakuum před stupněm.Běžnou praxí je použití iontové pumpy + TSP v hlavní komoře a sady malých molekulárních pump ve vstupní komoře.Při pečení otevřete připojený vkládací ventil a nechte sadu malé molekulární pumpy zajistit přední vakuum.
Je třeba poznamenat, že iontová čerpadla jsou méně schopná adsorpce inertních plynů a jejich maximální rychlost čerpání se poněkud liší od rychlosti molekulárních čerpadel, takže pro velké objemy odplynění nebo velká množství inertních plynů je vyžadována sada molekulárních čerpadel.Kromě toho iontová pumpa během provozu vytváří elektromagnetické pole, které může rušit zvláště citlivé systémy.
IV.Titanová sublimační čerpadla
Titanová sublimační čerpadla fungují tak, že se spoléhají na odpařování kovového titanu za účelem vytvoření titanového filmu na stěnách komory pro chemisorpci.Výhodou titanových sublimačních čerpadel je jednoduchá konstrukce, nízká cena, snadná údržba, žádné záření a žádný hluk z vibrací.
Titanová sublimační čerpadla se obvykle skládají ze 3 titanových vláken (aby se zabránilo vyhoření) a používají se v kombinaci s molekulárními nebo iontovými čerpadly pro zajištění vynikajícího odstranění vodíku.Jsou to nejdůležitější vakuové pumpy v rozsahu 10-9-10-11 mbar a jsou instalovány ve většině komor s velmi vysokým vakuem, kde jsou vyžadovány vysoké úrovně vakua.
Nevýhodou titanových sublimačních pump je nutnost pravidelného naprašování titanu, vakuum se při naprašování (během pár minut) zhorší asi o 1-2 řády, proto určité komory se specifickými potřebami vyžadují použití NEG.také u vzorků/zařízení citlivých na titan je třeba dbát na to, aby se zabránilo umístění titanové sublimační pumpy.
V. Kryogenní čerpadla
Kryogenní čerpadla se spoléhají hlavně na nízkoteplotní fyzikální adsorpci k získání vakua s výhodami vysoké rychlosti čerpání, žádného znečištění a vysokého konečného vakua.Hlavními faktory ovlivňujícími rychlost čerpání kryogenních čerpadel jsou teplota a povrchová plocha čerpadla.V systémech epitaxe s velkým molekulárním paprskem jsou kryogenní vývěvy široce používány kvůli vysokým požadavkům na maximální vakuum.
Nevýhodou kryogenních čerpadel je velká spotřeba kapalného dusíku a vysoké provozní náklady.Systémy s recirkulačními chladiči lze používat bez spotřeby kapalného dusíku, ale to s sebou přináší odpovídající problémy spotřeby energie, vibrací a hluku.Z tohoto důvodu se kryogenní čerpadla v běžném laboratorním vybavení méně běžně používají.
VI.Aspirační čerpadla (NEG)
Sací pumpa je jednou z nejpoužívanějších vývěv v posledních letech, její výhodou je kompletní využití chemické adsorpce, žádné napařování a elektromagnetické znečištění, často se používá ve spojení s molekulárními pumpami nahrazující titanové sublimační pumpy a rozprašování iontů čerpadel, nevýhodou je vysoká cena a omezený počet regenerací, obvykle se používají v systémech s vysokými požadavky na stabilitu vakua nebo vysoce citlivých na elektromagnetická pole.
Kromě toho, protože odsávací čerpadlo nevyžaduje žádné další připojení napájení po počáteční aktivaci, je také často používáno ve velkých systémech jako pomocné čerpadlo pro zvýšení rychlosti čerpání a zlepšení úrovně podtlaku, což může účinně zjednodušit systém.

Obrázek ： Pracovní tlaky pro různé typy čerpadel.Hnědé šipky znázorňují maximální přípustný rozsah provozního tlaku a tučné zelené části znázorňují běžný rozsah pracovního tlaku.